不打折扣的光學(xué)集成

光電容積脈搏波(PPG)是測量血氧飽和度(SPO₂)水平的常用技術(shù)。使用光發(fā)射器向人體發(fā)射光，然后使用光接收器測量反射或未吸收的光的數(shù)量。根據(jù)兩段波長的比值，可以測量氧合血紅蛋白的數(shù)量。類似技術(shù)也被用于測量心率（結(jié)合光學(xué)技術(shù)）或心率變異性。

所有這些系統(tǒng)都需要使用一個或多個光發(fā)射器（需要控制），以及一個光電探測器來測量光電流量，由此測量接收到的光量。這個接收信號最終需要放大、調(diào)節(jié)，并數(shù)字化。聽起來這種光學(xué)系統(tǒng)似乎非常簡單；但是，在缺少光學(xué)知識的情況下，很容易檢索到與用戶尋找的信號毫不相關(guān)的光學(xué)信號。

為了幫助公司達成光學(xué)目標，我們新推出了一款全集成式光學(xué)模塊。該模塊經(jīng)過測試并與成熟的分立式光學(xué)系統(tǒng)進行對比，結(jié)果相當出色。我們將詳細介紹本次測試的結(jié)果和所用方法。

PPG測量理論和介紹

 隨著對家庭健康、保健和預(yù)防的關(guān)注提高，圍繞智能設(shè)備形成了一個新的市場，用于跟蹤多項生命體征參數(shù)。首先是胸帶，該設(shè)備使用生物電勢技術(shù)來監(jiān)測心率，但最近的5到8年，市場普遍轉(zhuǎn)向光學(xué)系統(tǒng)，開始利用光電容積脈搏波(PPG)。這項技術(shù)的一大優(yōu)點是我們可以在人體上取一個點進行測量，而生物電勢系統(tǒng)最少需要使用兩個電極才能對心臟實施測量。對用戶而言，這不是很方便，因此，對光學(xué)心率監(jiān)測(HRM)和心率變異性(HRV)監(jiān)測的關(guān)注急劇增加。

在設(shè)計這樣的系統(tǒng)之前，需要先搞清楚幾個問題。最終應(yīng)用是什么？您想要在人體的哪個部位實施測量？您有多少時間來開發(fā)系統(tǒng)？根據(jù)這些問題的答案，設(shè)計人員可能采用不同的設(shè)計路徑。

測量PPG采用兩種不同的原則。您可以讓光通過身體的某個部位，例如手指或耳垂，然后在反面測量接收到或未吸收的光量；或者，在身體的同一側(cè)發(fā)射光并測量反射的光量。與反射系統(tǒng)相比，測量通過人體的光量得出的信號量大約多出40 dB至60 dB；但是，采用反射系統(tǒng)時，您可以隨意選擇放置傳感器的位置。

由于大部分用戶更重視傳感器舒適度，而不是性能，所以反射測量方法更受歡迎。所以，本文只介紹反射測量技術(shù)。

心臟跳動期間，心臟系統(tǒng)中的血流量發(fā)生變化，導(dǎo)致接收到的反射光發(fā)生散射。用于測量光學(xué)HRM/HRV的光源的波長不止取決于人體測量點，還取決于相對灌注水平，以及組織的溫度和色調(diào)。一般，對于腕戴式設(shè)備，動脈不位于手腕頂端，您需要從皮膚表層下的靜脈和毛細血管來檢測脈動分量。在這種情況下，綠色光表示最佳結(jié)果。在有足夠血液流動的位置，例如上臂、太陽穴或耳道，使用紅色光或紅外光可能更有效，它們可以更深入地穿透組織，給出更強勁的接收信號。

圖1 光學(xué)HRM/HRV系統(tǒng)的典型框圖

ADPD188 游戲規(guī)則正在改變？

在權(quán)衡考慮時，如傳感器位置和LED波長，您需要選擇最合適的光學(xué)解決方案。關(guān)于模擬前端有很多選擇，可以選擇分立式或全集成式，也提供大量光電探測器和LED可供選擇。關(guān)鍵在于發(fā)射器和接收器的放置方式有利于每毫安發(fā)射電流獲取最大量的接收信號。這就是所謂的電流傳輸比，通常用nA/mA表示。在光學(xué)系統(tǒng)中，調(diào)制指數(shù)同樣重要，它是交流信號相對于光學(xué)直流偏置的量。增大光傳感器和LED之間的距離時，調(diào)制指數(shù)增大。在光電探測器和LED之間存在一個最佳點，這也取決于LED波長。在設(shè)計不當?shù)臋C械系統(tǒng)中，LED光可以不穿透人體組織，直接到達光傳感器。這會導(dǎo)致直流偏置，對調(diào)制指數(shù)產(chǎn)生不利影響。它表現(xiàn)為光串擾，也稱為內(nèi)部光污染(ILP)。

圖2 ADPD188GG光學(xué)子系統(tǒng)

為最大程度減輕設(shè)計工作量并縮短上市時間，特別是對于缺乏光學(xué)知識的公司，ADI公司構(gòu)建了全集成式光學(xué)子系統(tǒng)，用于反射測量。即 ADPD188GG ，內(nèi)含進行光學(xué)測量所需的全部器件。圖2所示為此模塊的照片。

ADPD188GG是一種全新設(shè)計的光學(xué)模塊，與前代模塊相比尺寸不同。其外形幾乎呈方形，尺寸為3.98 mm x 5.0 mm，總體厚度為0.9 mm。改動最大的部分是光電探測器，與前代產(chǎn)品相比，方向旋轉(zhuǎn)了90°。相對于LED，這種傳感器位置可以提供更高的靈敏度。光傳感器本身分為0.4 mm²和0.8 mm²。這提供了靈活性，可以增加整體光二極管表面，以實現(xiàn)更高靈敏度，或者可以使用更小巧的檢測器來防止傳感器達到飽和。光電二極管被放置在模擬前端上面。ADI正在使用獨立的 ADPD1080 AFE。它有4個輸入通道，每個通道都圍繞具備可選增益（25k、50k、100k和200k）的互阻放大器、環(huán)境光抑制塊和一個14位SAR ADC設(shè)計。環(huán)境光抑制在模擬域完成，相比市面上的其他解決方案，性能更為出色。最后，兩個綠色LED受集成電流源管控，能夠驅(qū)動高達370 mA的電流和1 μs窄脈沖，以降低總體的平均電流。封裝設(shè)計使得發(fā)射的LED光在不穿透人體組織的情況下，很難到達光傳感器。這可以防止出現(xiàn)光串擾，為用戶提供最佳調(diào)制指數(shù)，即使傳感器放置在玻璃或塑料窗口之下。設(shè)計光學(xué)反射系統(tǒng)時，這個特性非常有用。對于更適合采用發(fā)射測量的應(yīng)用，ADPD188GG可以繞過內(nèi)部LED，與外部連接的LED配合使用。

與成熟解決方案比較

在開始新光學(xué)設(shè)計之前，需要先確定目標市場，以及最終產(chǎn)品所需的規(guī)格，這非常重要。一般來說，相對于用于體育和保健市場的設(shè)備，具有醫(yī)療級性能的光學(xué)系統(tǒng)規(guī)格更高。

ADPD107 是一種模擬光學(xué)前端，適用于分立式光學(xué)系統(tǒng)。在市面光學(xué)前端中，它被視為典范產(chǎn)品，憑借出色性能廣泛用于多種醫(yī)療產(chǎn)品中。DataSenseLabs Ltd.具備與ADPD107相關(guān)的豐富經(jīng)驗。但是，由于全集成式光學(xué)模塊在某些用例中具備一定優(yōu)勢，所以DataSenseLabs Ltd.開始研究這些模塊并進行比較分析，比較ADPD107與ADPD188GG集成光學(xué)模塊之間的性能。接下來，我們將詳細介紹測試設(shè)置、配置和測試結(jié)果。

測試設(shè)置和數(shù)據(jù)收集

為了實施光學(xué)比較，我們在2分鐘時間里，同時記錄ADPD188GG和ADPD107的原始PPG讀數(shù)。設(shè)置ADPD188GG時，使用了標準評估板，而ADPD107是可穿戴演示平臺( EVAL-HCRWATCH )內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)的組成部分。兩種系統(tǒng)都由ADI公司的用戶界面應(yīng)用wavetool軟件控制。

為了實施測試，對配置設(shè)置實施優(yōu)化，以獲得最高的信號質(zhì)量。我們保留了AFE配置，包括將LED脈沖、時序和互阻增益保持在特定范圍，令兩種系統(tǒng)保持相同的功耗，以進行公平的比較（參見表1）。

表1 ADPD188GG和典范產(chǎn)品ADPD107之間的光學(xué)模塊比較

表1顯示ADPD188GG LED電流，其數(shù)量高達ADPD107設(shè)置中LED電流的2倍。原因在于，集成解決方案的光電二極管表面小于分立式解決方案的表面，必須進行補償。采用兩個由3 V電源供電的LED會令整體功耗增加156 μW，與整體功耗相比，幾乎可以忽略不計。我們按100 Hz速率對ADC采樣，這在可穿戴系統(tǒng)中非常常見。此外，我們按500 Hz采樣速率進行測量，該值常用于具備臨床性能的系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)記錄環(huán)境與常規(guī)智能手表或健身跟蹤器所處的環(huán)境相同，只是光學(xué)傳感器位于手腕上方。由于慣用手和非慣用手皮下層的微循環(huán)和血管收縮特性稍有不同，所以兩個光學(xué)系統(tǒng)會反復(fù)記錄兩只手腕的數(shù)據(jù)。然后仔細分析和比較從左右手腕收集的數(shù)據(jù)集，以避免因為放置位置對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。PPG數(shù)據(jù)集來源于11位不同的用戶（受試者），這些用戶都保持坐姿，處于相同的環(huán)境光密度條件下。

數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計

采用比較方法非常重要，因為信號質(zhì)量驗證不止意味著要進行硬科學(xué)信號處理、數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計，還要分析市場和最終用戶的期望要求。要在可穿戴市場獲得成功，您需要采用定義明確的案例，并且清楚知道通過光學(xué)信號想要獲得什么樣的結(jié)果。

光學(xué)心率監(jiān)測器與健身跟蹤和健康狀況監(jiān)測應(yīng)用密切相連，但也有許多將光學(xué)技術(shù)用于醫(yī)療級系統(tǒng)的使用案例。在健身、衛(wèi)生信息學(xué)或與醫(yī)療相關(guān)的使用案例中，峰值檢測算法的精度主要取決于原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，與PPG信號的局部極大值相關(guān)。準確的峰值檢測不僅是實施心率或HRV測量的原則，在實施基于PPG血壓的估算檢測時也極為重要。所以，如果最終提取和計算的PPG信號要用于支持健康類應(yīng)用，那么設(shè)計人員必須選擇提供最佳物理信號質(zhì)量的傳感器平臺。比較測量配置和數(shù)據(jù)分析基于János Pálhalmi的生物信號計量專利（待決ID：P1900302）設(shè)計和施行。¹

最終結(jié)果

為了支持峰值檢測算法，可以輕松提取和過濾PPG原始數(shù)據(jù)中的基線波動。同時，如上所述，要提取目標結(jié)果，需要峰值在原始數(shù)據(jù)級別也具備高信號質(zhì)量。因此，本文重點關(guān)注主要頻段比較分析，目標是由典范產(chǎn)品ADPD107和新集成的ADPD188GG光學(xué)模塊測量的PPG信號峰值。信號的主要部分未改動，但非常緩慢的基線波動(<0.25 Hz)和高頻分量(>40 Hz)已過濾。

圖3 提取單獨的PPG波形（局部極大值周圍的±125數(shù)據(jù)點），并彼此重疊比較（藍色點線）。

波形的總體平均值用紅線表示。上圖顯示了由ADPD188GG和ADPD107分立式解決方案

記錄的PPG信號之間的相似性。

計算子波相干性和相關(guān)比較，以比較最主要頻率范圍內(nèi)兩個信號之間的穩(wěn)定性。圖3顯示，兩種PPG系統(tǒng)在單個波形及其平均值上的結(jié)果模式幾乎相同。

為了繼續(xù)在更深層次的數(shù)據(jù)水平上比較，我們采用了兩種不同的基于相關(guān)性的方法。計算每個即將推出的PPG波形之間的相關(guān)系數(shù)和P值（R、P）。還可以通過比較每個單獨的PPG波形與平均值來測試另一種信號差異。

基于綜合相關(guān)測試，我們可以得出結(jié)論：兩種接受比較的PPG系統(tǒng)之間不可能出現(xiàn)巨大差異，不論是在單個波形級別，還是單個波形與平均值的比較級別。

圖4 兩個接受比較的PPG信號的總體平均值之間的幅度方波相干性由時間域和頻率域中的顏色強度圖表示。箭頭方向與信號之間的相位差成正比。方向向右的水平信號表示信號之間不存在相位差。¹

子波方法對特定頻段內(nèi)的差異非常敏感。因此，我們計算了子波相干性函數(shù)，以比較兩種PPG信號。基于所有11位受試者的分析結(jié)果，兩個信號的頻率域或相位域之間不存在明顯差別（參見圖4）。

開發(fā)新產(chǎn)品時，查看特定的頻段也可能有用，這些頻段提取自給定信號，可用于優(yōu)化產(chǎn)品規(guī)格。

在本測試中，在所有相關(guān)頻率范圍內(nèi)，對接受比較的兩種PPG系統(tǒng)之間的幅度方波相干性的基礎(chǔ)統(tǒng)計特性進行分析，如圖5所示。整個頻譜被分為6個特定的頻率范圍，以分析各信號之間的相似性差異。

圖5 幅度方波子波相干性值的描述性統(tǒng)計特性在4個相關(guān)頻率范圍（0 Hz至20 Hz）內(nèi)顯示。¹

對于所有11位受試者，在PPG信號峰值周圍的所有頻段內(nèi)，其相干性值都高于0.95，這表示，典范產(chǎn)品和新集成的ADPD188GG之間相似度非常高。

結(jié)論

ADPD188GG是ADI公司一款全集成式光學(xué)模塊，用于測量心率、心率變異性和氧飽和度，并監(jiān)測連續(xù)的血壓估算。由于該模塊將光學(xué)和電子器件都集成在微型封裝內(nèi)，所以可以幫助缺乏光學(xué)知識的設(shè)計人員和公司縮短總設(shè)計周期。該模塊針對采用反射測量方法，且波長為525 nm的應(yīng)用實施優(yōu)化；但是，外部LED也可用于在不同波長下測量，或基于發(fā)射原理測量。我們已經(jīng)證明，集成系統(tǒng)不妨礙我們滿足院外系統(tǒng)或臨床系統(tǒng)中各個使用案例需要的規(guī)格。

參考資料

1 János Pálhalmi。生物信號計量專利，P1900302。

作者簡介

DataSenseLabs Ltd.的János Pálhalmi博士是一名神經(jīng)科學(xué)家、計量學(xué)家，擁有健康科學(xué)學(xué)位。作為一名編程人員，他專注于生物信號處理和數(shù)據(jù)分析。János在電生理學(xué)和光學(xué)生物傳感器信號分析方面擁有20多年的經(jīng)驗，涉及分子和細胞水平分析以及人類健康相關(guān)應(yīng)用。

從2017年底開始，他和他的公司DataSenseLabs Ltd. 一直與ADI公司的醫(yī)療健康業(yè)務(wù)部門在可穿戴生物信號評估和分類領(lǐng)域展開合作。他的目標是幫助合作伙伴在健康狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用中找到適合預(yù)防預(yù)測的高質(zhì)量解決方案。

Jan-Hein Broeders是ADI公司負責(zé)歐洲、中東和非洲市場醫(yī)療健康業(yè)務(wù)的開發(fā)經(jīng)理。他與醫(yī)療健康行業(yè)密切合作，將他們現(xiàn)在和將來的需求轉(zhuǎn)化為各種解決方案，這些方案基于ADI公司市場領(lǐng)先的線性和轉(zhuǎn)換器技術(shù)和數(shù)字信號處理與電源產(chǎn)品。20多年前，Jan-Hein開始從事半導(dǎo)體行業(yè)，擔(dān)任ADI公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師，自2008年起開始擔(dān)任目前的醫(yī)療健康部門職務(wù)。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位。